CN103659004B - 激光切割预处理装置、激光切割装置及激光切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光切割预处理装置、激光切割装置及激光切割方法，该激光切割预处理装置用于对工作台上的待切割工件进行局部加热预处理，其包括：用于产生加热光束的加热激光发生器；用于对加热光束的射入待切割工件的位置进行调整的加热光束位置调节模块；以及用于根据切割激光发生器的切割光束在待切割工件的切割面的切割区域，控制加热光束位置调节模块进行调节操作的工控机。本发明还提供一种激光切割装置及激光切割方法。本发明的激光切割预处理装置、激光切割装置及激光切割方法通过设置相应的预处理装置，可以有效的消除待切割工件内的内应力，提高了切割产品的良品率。

Description

激光切割预处理装置、激光切割装置及激光切割方法

技术领域

本发明涉及激光切割领域，特别是涉及一种激光切割预处理装置、激光切割装置及激光切割方法。

背景技术

随着激光加工应用的范围不断扩展，可采用激光进行切割加工的材料种类日益增多，其中很大一部分是热塑性高聚物材料。图1为激光加工材料的原理示意图，其中11为激光光束，12为挥发的等离子体，13为材料表面激发的等离子体，14为材料液相区，15为材料固相区。图2为未进行加工时材料中内应力的示意图。

如图1和图2所示，其中A为强作用力方向，B为弱作用力方向，C为应变产生方向。在加工材料时，由于材料本身具有碳/硅超长大分子链，分子链间通过硫化等手段进行连接，使其不同轴向的强度及内应力存在差别。同时，在该种材料加工成型过程中，一般采用滚压、铸造等手段，也加剧了材料的内应力的形成。这种存在内应力的材料在进行切割过程中，不可避免会产生一下两个问题：

一、激光切割加工为热加工，在加工处会产生热损伤。即由于瞬间的热胀冷缩效应(即材料液相区14和材料固相区15的膨胀系数不同)，使材料本身发生瞬间胀缩，从而损伤材料。

二、激光切割加工直接气化材料，切割处会产生应力聚集，造成材料形变加剧。

因此由于材料的内应力的存在，激光切割材料时材料的不同部分会产生不同程度的形变，从而造成产品的不良品率的上升。

故，有必要提供一种激光切割预处理装置、激光切割装置及激光切割方法，以解决现有技术所存在的问题。

发明内容

本发明的实施例的目的在于提供一种激光切割预处理装置、激光切割装置及激光切割方法，以解决现有技术中的激光切割装置的切割产品的不良品率较高的技术问题。

为解决上述问题，本发明提供的技术方案如下：

提供一种激光切割预处理装置，用于对工作台上的待切割工件进行局部加热预处理，其包括：

加热激光发生器，用于产生加热光束，所述加热光束对所述待切割工件的切割面的切割区域加热，使所述切割区域处于固液混合相区；

加热光束位置调节模块，用于对所述加热光束的射入所述待切割工件的位置进行调整；以及

工控机，用于根据切割激光发生器的切割光束在所述待切割工件的切割面的切割区域，控制所述加热光束位置调节模块进行调节操作。

在本发明所述的激光切割预处理装置中，所述待切割工件的加热面位于所述待切割工件的切割面的相对面。

在本发明所述的激光切割预处理装置中，所述待切割工件的加热面的加热区域在所述待切割工件的切割面上的投影覆盖所述待切割工件的切割面的切割区域。

在本发明所述的激光切割预处理装置中，所述加热光束位置调节模块为至少一组光束转动控制件，

所述一组光束转动控制件包括：

转动镜片，用于反射所述加热光束；以及

转动电机，用于根据所述工控机的信号，驱动所述转动镜片转动。

还提供一种激光切割装置，其包括：

切割激光发生器，用于产生切割光束；

切割光束位置调节模块，用于对所述切割光束的射入待切割工件的位置进行调整；以及

上述的激光切割预处理装置。

在本发明所述的激光切割装置中，所述切割光束位置调节模块包括：

扩束镜，用于减小所述切割光束的发散角；

振镜，用于根据所述工控机的信号，对所述切割光束的射入所述待切割工件的位置进行调整；以及

场镜，用于将所述切割光束聚焦在所述待切割工件的切割面的切割区域。

在本发明所述的激光切割装置中，所述切割激光发生器和所述加热激光发生器一体化，通过分光镜对一体化的切割激光发生器和加热激光发生器进行分光处理，以生成所述加热光束和所述切割光束。

还提供一种激光切割方法，用于激光切割装置，所述激光切割装置包括切割激光发生器、切割光束位置调节模块以及激光切割预处理装置，所述激光切割方法包括步骤：

所述激光切割预处理装置对待切割工件的加热面的加热区域进行加热预处理，使所述切割区域的所述待切割工件处于固液混合相区；以及

所述切割激光发生器通过切割光束位置调节模块对处于切割区域的所述待切割工件进行切割操作；

其中所述待切割工件的加热面的加热区域在所述待切割工件的切割面上的投影覆盖所述待切割工件的切割面的切割区域。

在本发明所述的激光切割方法中，所述待切割工件的加热面位于所述待切割工件的切割面的相对面。

相较于现有技术，本发明的激光切割预处理装置、激光切割装置及激光切割方法通过设置相应的预处理装置，可以有效的消除待切割工件内的内应力，提高了切割产品的良品率；解决了现有技术中激光切割装置的切割产品的不良品率较高的技术问题。

附图说明

图1为激光加工材料的原理示意图；

图2为未进行加工时材料中内应力的示意图；

图3为本发明的激光切割装置的第一优选实施例的结构示意图；

图4为本发明的激光切割装置的第一优选实施例的进行加工时材料中内应力的示意图；

图5为本发明的激光切割装置的第二优选实施例的结构示意图；

图6为本发明的激光切割方法的优选实施例的流程图；

其中，附图标记说明如下：

30、50、激光切割装置；

31、切割激光发生器；

32、切割光束位置调节模块；

321、扩束镜；

322、振镜；

323、场镜；

33、激光切割预处理装置；

331、加热激光发生器；

332、加热光束位置调整模块；

3321、转动镜片；

3322、转动电机；

333、工控机；

34、待切割工件；

51、分光镜；

52、一体化的切割激光发生器和加热激光发生器；

53、全反镜。

具体实施方式

以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。

请参照图3和图4，图3为本发明的激光切割装置的第一优选实施例的结构示意图，图4为本发明的激光切割装置的第一优选实施例的进行加工时材料中内应力的示意图。本优选实施例的激光切割装置30包括切割激光发生器31、切割光束位置调节模块32以及激光切割预处理装置33。切割激光发生器31用于产生切割光束；切割光束位置调节模块32用于对切割光束的射入待切割工件34的位置进行调整。

激光切割预处理装置33包括加热激光发生器331、加热光束位置调整模块332以及工控机333。加热激光发生器331用于产生加热光束；加热光束位置调节模块332用于调节加热光束至待切割工件34的加热面的加热区域；工控机333用于控制切割光束位置调节模块32进行调节操作，并根据切割激光发生器31的切割光束在待切割工件34的切割面的切割区域，控制加热光束位置调节模块332进行调节操作。

在本优选实施例中，待切割工件34的加热面位于待切割位于待切割工件34的切割面的相对面，且待切割工件34的加热面的加热区域在待切割工件34的切割面上的投影覆盖待切割工件34的切割面的切割区域。具体如图4所示，其中D为待切割工件34的切割面的切割区域，E为待切割工件34的加热面的加热区域。将加热面和切割面设置在待切割工件34的不同面，可以避免加热面的加热操作对切割面上的表面涂层的破坏，如该待切割工件34为无表面涂层或单一材料的工件，加热面和切割面也可设置在待切割工件34的同一面。同时加热面的加热区域在切割面上的投影覆盖切割面的切割区域，即加热面的加热区域在切割面上的投影略大于切割面的切割区域，可以保证对所有的切割区域进行有效的加热预处理。

为了保证切割区域与加热区域的对应性，通过工控机333对加热区域进行控制。即工控机333会读取切割激光发生器31的切割光束在待切割工件34的切割面的切割区域的位置，然后控制加热光束位置调节模块332使加热面的加热区域与切割区域相对应，即加热面的加热区域在切割面上的投影覆盖切割面的切割区域。

优选的，为了便于对加热区域进行调整，加热光束位置调节模块332为至少一组光束转动控制件，该光束转动控制件包括用于反射加热光束的转动镜片3321以及用于根据工控机333的信号，驱动转动镜片3321转动的转动电机3322。光束转动控制件的具体设置数量可根据实际需要(如加热激光发生器331与待切割工件34的位置关系等)来确定。如图3所示，该加热光束位置调节模块332包括两组光束转动控制件，通过该光束转动控制件可有效的将加热光束引导至待切割工件34的加热面的加热区域。

本优选实施例的切割光束位置调节模块32包括扩束镜321、振镜322以及场镜323。其中扩束镜321用于减小切割光束的发散角；振镜322用于根据工控机333的信号，对切割光束的射入待切割工件34的位置进行调整；场镜323用于将切割光束聚焦在待切割工件34的切割面的切割区域。通过该切割光束位置调节模块32，可有效的将切割光束引导至待切割工件34的切割面的切割区域。

本优选实施例的激光切割装置30使用时，首先开启激光切割预处理装置33，即加热激光发生器331产生加热光束，该加热光束通过两组转动镜片3321射入到待切割工件34的加热面，其中使用工控机333控制转动电机3322对转动镜片3321的位置进行调整，使得加热光束在待切割工件34的加热面产生的加热区域与待切割工件34的切割面的切割区域相对应。

在激光切割预处理装置30启动后，开启激光切割处理装置，即切割激光发生器产生切割光束。该切割光束经扩束镜321扩束，发散角减小，以提高切割光束的质量；随后切割光束经过振镜322以及场镜323聚焦在待切割工件34的切割面的切割区域，对该待切割工件34进行切割加工。随后工控机333通过控制振镜322、场镜323以及转动电机3322，使待切割工件34的切割面的切割区域和待切割工件的加热面的加热区域同步运动，最终完成切割加工。在切割加工过程中，可通过调整加热光束和切割光束的工艺参数来调整加热和切割的效果。

由于在整个切割加工过程中，待切割工件34的切割面的切割区域由于加热光束的作用，始终处于固液混合相的过渡形态，因此可大大减小待切割工件34内的内应力，从而实现减小激光切割加工的热损伤以及形变的目的。

本优选实施例中的激光切割预处理装置33也可单独设置在其他现有的激光切割装置上，或在一个激光切割装置上设置多个激光切割预处理装置33，只要保证激光切割预处理装置33的加热光束对相应的切割区域进行加热预处理，均能实现本优选实施例的减小待切割工件内的内应力的技术效果。

本优选实施例的激光切割装置通过设置相应的预处理装置，可以有效的消除待切割工件内的内应力，提高了切割产品的良品率。

请参照图5，图5为本发明的激光切割装置的第二优选实施例的结构示意图。本优选实施例的激光切割装置50与第一优选实施例中的激光切割装置的区别在于，切割激光发生器和加热激光发生器一体化，通过分光镜51对一体化的切割激光发生器和加热激光发生器52进行分光处理，以生成加热光束和切割光束。可使用全反镜53对切割光束进行转向处理。

本优选实施例的激光切割装置使用时，首先一体化的切割激光发生器和加热激光发生器52产生激光束，并通过分光镜51将该激光束分解为加热光束和切割光束，这里通过调整分光镜51来设置加热光束和切割光束的工艺参数。随后加热光束通过两组转动镜片3321射入到待切割工件34的加热面，其中使用工控机333控制转动电机3322对转动镜片3321的位置进行调整，使得加热光束在待切割工件34的加热面产生的加热区域与待切割工件34的切割面的切割区域相对应。切割光束经全反镜53转向、扩束镜321扩束，发散角减小，以提高切割光束的质量；随后切割光束经过振镜322以及场镜323聚焦在待切割工件34的切割面的切割区域，对该待切割工件34进行切割加工。然后工控机333通过控制振镜322、场镜323以及转动电机3322，使待切割工件34的切割面的切割区域和待切割工件的加热面的加热区域同步运动，最终完成切割加工。

本优选实施例通过一分光镜51、相应的用于光路转向的全反镜53以及一一体化的切割激光发生器和加热激光发生器52实现两个激光器的功能。在实现激光切割预处理的基础上，还降低了激光切割装置50的制作成本。同时本优选实施例的激光切割装置50同样通过设置相应的预处理装置，有效的消除待切割工件内的内应力，提高了切割产品的良品率。

本发明还提供一种激光切割方法，请参照图6，图6为本发明的激光切割方法的优选实施例的流程图。本优选实施例的激光切割方法用于激光切割装置，该激光切割装置包括切割激光发生器、切割光束位置调节模块以及激光切割预处理装置。本优选实施例的激光切割方法包括：

步骤S601，激光切割预处理装置对待切割工件的加热面的加热区域进行加热预处理，使切割区域的待切割工件处于固液混合相区；

步骤S602，切割激光发生器通过切割光束位置调节模块对处于切割区域的待切割工件进行切割操作；

其中待切割工件的加热面的加热区域在待切割工件的切割面上的投影覆盖待切割工件的切割面的切割区域。待切割工件的加热面位于待切割工件的切割面的相对面。

本优选实施例的激光切割方法的具体切割过程与上述的激光切割装置的优选实施例中的描述相同，具体请参见上述激光切割装置的优选实施例中的相关描述。

本发明的激光切割预处理装置、激光切割装置及激光切割方法通过设置相应的预处理装置，在不影响激光切割速率的前提下，减小了激光切割的热损伤以及材料变形，可以有效的消除待切割工件内的内应力，提高切割产品的良品率以及切割加工精度，解决了现有技术中激光切割装置的切割产品的不良品率较高的技术问题。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种激光切割预处理装置，用于对工作台上的待切割工件进行局部加热预处理，其特征在于，包括：

加热激光发生器，用于产生加热光束，所述加热光束对所述待切割工件的切割面的切割区域加热，使所述切割区域处于固液混合相区；

加热光束位置调节模块，用于对所述加热光束的射入所述待切割工件的位置进行调整；以及

工控机，用于根据切割激光发生器的切割光束在所述待切割工件的切割面的切割区域，控制所述加热光束位置调节模块进行调节操作。

2.根据权利要求1所述的激光切割预处理装置，其特征在于，所述待切割工件包括加热面，所述加热面位于所述待切割工件的切割面的相对面。

3.根据权利要求2所述的激光切割预处理装置，其特征在于，所述待切割工件的加热面的加热区域在所述待切割工件的切割面上的投影覆盖所述待切割工件的切割面的切割区域。

4.根据权利要求1所述的激光切割预处理装置，其特征在于，所述加热光束位置调节模块为至少一组光束转动控制件，

所述一组光束转动控制件包括：

转动镜片，用于反射所述加热光束；以及

转动电机，用于根据所述工控机的信号，驱动所述转动镜片转动。

5.一种激光切割装置，其特征在于，包括：

切割激光发生器，用于产生切割光束；

切割光束位置调节模块，用于对所述切割光束的射入待切割工件的位置进行调整；以及

权利要求1-4中任一的激光切割预处理装置。

6.根据权利要求5所述的激光切割装置，其特征在于，所述切割光束位置调节模块包括：

扩束镜，用于减小所述切割光束的发散角；

振镜，用于根据所述工控机的信号，对所述切割光束的射入所述待切割工件的位置进行调整；以及

场镜，用于将所述切割光束聚焦在所述待切割工件的切割面的切割区域。

7.根据权利要求5所述的激光切割装置，其特征在于，所述切割激光发生器和所述加热激光发生器一体化，通过分光镜对一体化的切割激光发生器和加热激光发生器进行分光处理，以生成所述加热光束和所述切割光束。

8.一种激光切割方法，用于激光切割装置，所述激光切割装置包括切割激光发生器、切割光束位置调节模块以及激光切割预处理装置，其特征在于，所述激光切割方法包括步骤：

所述激光切割预处理装置对待切割工件的加热面的加热区域进行加热预处理，使切割区域的所述待切割工件处于固液混合相区；以及

所述切割激光发生器通过切割光束位置调节模块对处于切割区域的所述待切割工件进行切割操作；

其中所述待切割工件的加热面的加热区域在所述待切割工件的切割面上的投影覆盖所述待切割工件的切割面的切割区域。

9.根据权利要求8所述的激光切割方法，其特征在于，所述待切割工件的加热面位于所述待切割工件的切割面的相对面。